跨孔地震技术在工程勘察中的应用(3)
5 数据处理流程
跨孔地震CT技术的核心是地震波射线追踪和层析成像反演,其主要理论基础是最短射线路径射线追踪算法(SPR)和联合迭代重建技术(SIRT)。目前大多数的井间跨孔地震CT数据处理软件均是根据以上算法构思,通过获得地震波走时,求解不适定线性方程组,再多次递归迭代反演,从而获得地下介质二维速度分布,重建地下介质纵波速度图像,如图6所示。具体的数据处理流程可以分为以下步骤:
图6 跨孔地震CT数据处理流程Fig.6 Flow chart of cross-hole seismic CT data processing
1)获得共激发点道集,拾取地震波初至时间;
2)计算射线平均速度;
3)根据实际钻孔资料以及计算出来的射线平均速度建立初始速度模型;
4)应用CT反演软件,利用拾取的地震波初至时间以及初始速度模型,选择合适的节点间隔(小跨距剖面可以采用0.5 m×0.5 m间隔,大跨距剖面可以采用1 m×1 m间隔),计算地震波旅行时差,建立反演方程,进行迭代计算;
5)利用反演得到的速度模型,结合工程地质剖面,绘制波速影像图。
6 桥梁基础勘察应用
6.1 工区概况
工区主要分布第四系全新统淤泥、淤泥质土、填土层、黏性土、砂土层以及第四系残积土层,下伏基岩为石炭系石灰岩层。拟建桥梁横跨河流,地表水体发育,地下水主要有第四系孔隙潜水、岩溶水和基岩裂隙水,且场地岩溶发育,溶洞均位于地下水水位以下。根据已有钻探资料可知,溶洞内有充填物一般为砂或粉质黏土且饱和含水,溶洞内纵波波速在1 500~2 000 m/s之间,而溶洞外的灰岩区域纵波波速在4 000~6 000 m/s之间,且洞外岩体较洞内完整,导致溶洞内外介质存在极为明显的波速差异。而正是这种差异的存在,为进行跨孔地震CT提供了良好的物性条件。
6.2 数据采集
本次采用使用德国Geotomographie公司IPG1005高压储能发射器一台,发射能量2 000 J,发射主频大于1 000 Hz,时间一致性误差小于0.010 ms。接收探头采用高灵敏度12道串式检波器2套,每个接收探头均采用20倍集成运算放大器进行阻抗匹配、抑制道间串扰,频率为5 Hz~-60 kHz。发射孔每隔1.0 m间距激发一次,接收孔水听器以1.0 m间距设置接收点,保证每一个激发点在接收孔中进行全孔接收,孔间距均不超过20 m,测孔平面布置如图7所示,其中虚线圈表示设计桥墩位置。实线圈表示实际的钻孔位置,跨孔CT原始记录如图8所示,跨孔CT数据质量良好,初至清晰(如红色短线标记处所示),信号质量高。
图7 设计桥墩及基础钻孔平面布置Fig.7 Layout plan of designed pier and foundation drilling
图8 跨孔CT原始地震记录Fig.8 Original seismic records of cross-hole CT
6.2.1 数据质量保证措施
1)为了保证数据采集的质量,应该避开人工干扰源,对于行车干扰比较严重的地方,可以选择在深夜采集,并且根据实际情况适当增加叠加次数。
2)在数据采集过程中,应该避开可能存在的人工电场(如高压线、变电站)的干扰,如果无法避开,应该适当地增加采集次数,并确保地线接触良好。
3)当电信号干扰比较严重时,可以选择绕线的形式触发,同时确保震源附近没有多余的线圈,避免由于电磁感应引起地震信号初至跳跃严重。
4)对于探测目标是土洞时,由于土洞(尤其是有填充时)与洞周围的土速度差异不是特别大,而且土洞周围的介质密实程度呈现过渡形式,所以不宜选择过大的测量孔距,一般在10~20 m的范围内,部分地区由于现场条件限制可以选择超过20 m的孔距,但是不宜超过30 m;对于探测目标是岩溶区域的情况,由于溶洞和围岩的速度差异特别大,所以孔距可以适当增大,一般选择10~30 m的范围,部分地区由于现场条件的限制可以选择超过30 m的孔距,但是不宜超过40 m,孔距过大,地震波衰减快,有效信号减弱,数据质量难以保证。
5)浅地表由于风化严重,土层松散,对地震波的吸收衰减很严重,导致记录的地震波已经严重失真,地震波走时杂乱无章难以辨别。因此,实际工作中,要求孔深最好是孔距的2倍,观测范围一般为从最浅的基岩面往上1/2孔距(并至少有不低于5 m土层)至孔底。激发和接收的点距不宜超过需要探测的最小目标体尺寸,一般取1 m,如有特别要求可以适当增大或减小激发和接收点距。
6)成孔深度应该大于实际测量深度,且两相邻测试孔之间的高差不宜超过5 m,成孔后应该保持孔内干净以保证有效测量深度。
文章来源:《工程勘察》 网址: http://www.gckczz.cn/qikandaodu/2021/0613/609.html
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